熱處理工藝對高強度與超高強度航空用鋁合金板材強度影響研究綜述

許皓文 遲彤 李木易

摘要：通過研究影響可熱處理鋁合金強度的因素，據此分析了退火處理、固溶熱處理及人工時效處理三種典型的熱處理工藝對航空常用鋁合金強度的影響，提出了進行熱處理的有關建議，為后續開展航空用鋁合金板材熱處理工作提供支撐。

關鍵詞：鋁合金強度 熱處理工藝

隨著航空工業的發展，飛機結構輕量化已經成為增強飛機性能的重要手段。在保證機身強度的同時，輕量化飛機結構可以實現更小的自身重量，從而大幅降低油耗，或者帶來更好的機動性能與操控性能。實現飛機結構輕量化的主要途徑為結構部件承力優化以及選用比強度更高的材料，例如碳纖維、鈦合金、鎂合金以及鋁合金。其中鋁合金成本相對較低，因此在航空工業應用特別廣泛，例如飛機蒙皮、客機機翼等大型零部件。而受到材料強度、加工性能等綜合因素影響，目前航空工業應用最廣泛的鋁合金為6系列高強度鋁合金與7系列超高強度鋁合金，另有少量5系列中高強度鋁合金與2系列超高強度鋁鋰合金在部分零部件中得到采用。本文較為系統的總結了熱處理工藝對應用最為廣泛的6系列高強度與7系列超高強度鋁合金強度的影響。

鋁合金強度的影響因素

材料強度即材料阻止微觀位錯產生的能力，微觀位錯在宏觀視角即為材料發生塑形形變。與鋼材由晶相決定強度不同，常見可熱處理的鋁合金基材均為α相排列且熱處理過程中基本不發生改變，因此可熱處理鋁合金強度由三部分因素共同影響決定：鋁原子為溶劑組成的晶格強度、溶解在鋁原子晶格內的溶質原子帶來的強度、以及未溶解的溶質原子聚合析出物帶來的強度。

各種鋁合金材料中，α相鋁材的帶來的強度基本一致，約為50MPa左右;鋁基內部溶解的溶質原子帶來的強度取決于原子種類和溶解的總量。微觀溶質原子聚合析出物大多比鋁晶格更強，可以強化材料阻止位錯的能力，其形狀、強度、尺寸、密度等因素共同影響材料的強度。鋁合金位錯發生時有微觀結構有兩種情況，一種是將鋁合金析出物切斷（shearing），由于析出物強度高于鋁晶格，使得材料發生位錯難度增大;一種是繞過析出物（bypass）使鋁晶格斷裂，由于產生位錯時需要繞過更多鋁晶格，也使得材料發生位錯難度增加。兩種情況均存在于同一塑性變形中，宏觀表現為材料強度增強。

6系列高強度鋁合金，又稱鋁-鎂-硅合金，強度可達300-400MPa。其在鋁原子之外主要溶質原子為鎂原子和硅原子，人工時效過程中，其微觀結構及析出物主要為成分為MgSi的β′和成分為Mg2Si的β。7系列超高強度鋁合金，又稱鋁鋅鎂合金，強度可達500-700MPa。其在鋁原子之外主要溶質原子為鋅原子和鎂原子，人工時效過程中，其微觀結構及析出物主要為成分為MgZn的η′和成分為Mg2Zn的η。

析出物的形狀

溶質析出物的形狀多種多樣，如圖1所示，目前主流研究將其分為三種類型，分別為球狀、面狀與柱狀，析出物的形狀僅由析出物構成決定。析出物的形狀對位錯切斷和繞過的能力均有影響，因而直接影響材料強度。有分析認為，析出物帶來的強度由高至低分別是：柱狀、球狀、面狀。其中6系列高強鋁合金的主要析出物β′與β均為球狀，7系鋁合金主要析出物η′與η均為柱狀。圖1中q為析出物的尺寸比，對每種析出物，其峰值強度對應尺寸比均有不同，其隨時熱處理的時間和溫度變化，影響鋁合金宏觀物理特性。

析出物的強度

析出物的強度越大，位錯將其切斷的難度越大，因而材料強度增加。相似形狀的析出物，由于其原子組成不同，導致其內部原子聚合物的聚合鍵強度不同，每種聚合物強度特性主要隨聚合物內部原子比例與排列相關，與聚合物形狀關系很小。6系列鋁合金產生的析出物β′與β均為球狀，在相同尺寸與尺寸比下，β′強度比β更高，所以β′含量及比例高的6系列鋁合金強度更高。對于7系列鋁合金也有類似現象，η′析出物的強度明顯高于η。

析出物的尺寸與密度

目前研究普遍認為，在析出物相同的情況下，材料強度隨著析出物尺寸的增長先增強后減弱，隨著析出物密度增加而增強。隨著析出物的增大，其對位錯切斷的抵抗能力更強，而位錯需要繞過析出物個數相對減少，因而其對位錯繞過的抵抗能力越來越弱，所以兩種因素相結合產生了先增強后減弱的趨勢。

典型熱處理工藝對鋁合金強度的影響

鋁合金常見的典型熱處理工藝有退火處理、固溶熱處理與人工時效處理，材料加工成形一般發生在退火處理之后。

退火處理

退火處理指將鋁合金加熱到300-400℃左右并保溫數小時后慢速冷卻，其目的是使得材料原子分布均勻、將內部晶格空隙與錯位等缺陷修復、釋放材料應力，從而使得材料本身強度更低、性能更均勻、加工性能更好。此時得到的鋁合金是在常溫狀態下強度最低的狀態。退火處理后的鋁合金微觀組織上已經形成少量高溫下才會產生的類似T、S等低強度析出物，且緩慢降溫過程中鋁合金逐漸析出部分低密度小尺寸析出物，即便再次經過人工時效處理，也很難達到材料的最高強度。因此，退火處理后的鋁合金加工成為零件后，需要重新經過固溶熱處理與人工時效處理進行強化[7]。

固溶熱處理

固溶熱處理一般在材料加工成形之后，將鋁合金零件加熱并保溫在其固溶溫度之上30min-2h，溫度一般為440-535℃[8]。與熱水能溶解更多鹽的顆粒類似，固溶熱處理在不造成鋁原子α相排列破壞的前提下，在高溫狀態下將其他溶質原子析出物溶解為原子狀態溶入鋁原子晶格當中。

固溶熱處理后的鋁合金在降溫過程中可能會有部分溶質原子重新析出。圖2給出了AA7150鋁合金在固溶熱處理后的持續降溫相變圖，其中軸為時間，縱軸為溫度，在降溫過程中如果降溫曲線穿過途中所示三個區域，將分別產生區域對應的析出物。按照圖2所示，此種鋁合金固溶熱處理后需要降溫速率達到300℃/s以上才能保證不產生新的析出物。因此固溶熱處理后的鋁合金一般需要進行淬火，就是將高溫鋁合金快速冷卻，確保在冷卻過程中溶質原子不重新聚合析出。淬火后的鋁合金被稱為過飽和固溶狀態（supersaturated solid solution），類似快速冷卻后未析出鹽晶體的過飽和鹽水溶液[8，9]。

人工時效處理

人工時效處理一般在固溶熱處理之后，將過飽和固溶狀態鋁合金零件加熱并保溫在110-190℃左右24-72h，使溶解在鋁晶格內的溶質原子加速聚合析出。時效的溫度越高，析出物尺寸成長速度越快、密度越低、可析出溶質原子越少[9]。

圖3為適用于大部分6系列和7系列鋁合金強度隨人工時效時間的因素及過程的示意圖。圖中橫軸為人工時效時間，縱軸為材料屈服強度。虛線Intrinsic Strength為鋁原子晶格提供強度，在時效過程中基本不變。虛線Solid Solution Strength為溶質原子提供強度曲線，隨著時效過程中析出原子增多而降低直至達到此溫度下平衡。虛線Net Precipitation Strength為析出物提供的強度，隨著時效時間先上升后下降，為上方兩條虛線綜合影響結果，其中上方兩條虛線分別為析出物抵抗位錯切斷（上升線）和繞過（下降線）的強度。實線（Net Ageing Curve）為鋁合金材料強度隨時效時間變化曲線，為除上方兩條虛線外其他三條虛線在同一橫坐標下加和。

根據材料的不同，在時效的前10min-1h之內，析出物密度基本定型，后續時效過程主要為析出物長大過程。在這段時間內，隨著溶質原子逐漸析出，其作為溶質原子所提供的強度逐漸降低;隨著析出物數量的增加與尺寸的增長，析出物提供的對錯位切斷和繞過的附加抗力增加，使材料不斷增強。此過程中由于析出物增長帶來的強度增項遠高于溶質原子減少造成的強度降低，所以材料整體上表現為強度增長。

在析出物密度基本穩定后，隨著時效時間加長，溶質原子提供的強度繼續略有降低，析出物長大過程中材料強度繼續增強。時效達到一段時間后，鋁基中可析出溶質原子已基本析出，因此溶質原子提供的強度基本穩定。此時析出物大小與密度基本達到最佳平衡，材料強度達到在不考慮加工硬化下的最大強度，對應圖中實現的最大點。此時認為鋁合金達到人工時效后最大強度T6狀態。

在強度最大點后繼續人工時效，析出物繼續長大過程中沒有自由狀態的溶質原子可以加入，因此一部分析出物逐漸縮小釋放出更多溶質原子，而另一部分析出物捕獲吸收這些溶質原子進而進一步長大。此過程中部分析出物的不斷長大，使得其抵抗位錯切斷的能力略有增強，但抵抗位錯繞過的能力逐漸降低，而且隨著部分析出物尺寸減小，其抵抗切斷的能力也快速降低，整體上材料強度隨著人工時效降低而降低。與此同時，隨著其中一種溶質原子率先完成析出，另一種還有富裕的溶質原子無法形成新的析出物，只能加入已有的析出物，導致析出物成分變化，析出物強度降低。例如6系列鋁合金此時主要析出物β′（MgSi）隨著Mg原子不斷加入，逐漸變為β（Mg2Si），7系列鋁合金主要析出物η′（MgZn）逐漸轉變為η（Mg2Zn），材料強度相應下降。

在繼續保溫時效的過程中，部分析出物繼續長大，而另一部分減小的析出物徹底溶解，導致析出物密度降低，其抵抗位錯繞過的能力大幅下降，材料強度進一步降低。

結論

綜合以上熱處理工藝對航空用高強和超高強度鋁合金強度的影響，可知：

1.如果材料殘余應力較大或微觀組織結構不夠均勻，加工前需進行退火處理，否則盡量避免該種熱處理，以防止部分低強度析出物的生成;

2.固溶熱處理為人工時效過程中材料強度增強的基礎，需要將溫度和時長控制好以確保析出物基本溶解;

3.固溶熱處理后的淬火為關鍵工序，需要使降溫速率足夠大以確保降溫過程中不產生無用的析出物;

4.人工時效是一個微觀結構復雜變化過程，由于每種材料、每批次材料成分不同，建議根據單批次材料做足夠的試片級熱處理試驗，以確定該批材料的最佳熱處理溫度和時間，才能確保將材料強度發揮到最佳狀態。

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